DE3702369A1 - Positioniereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung, wel­ che in der Robotertechnik, in Metallschneidemaschinen und in hydraulischen Servosystemen Anwendung findet.

Aus den SU-PSn 9 43 796 und 9 43 797 ist eine Positionier­ einrichtung bekannt, bestehend aus einem hydraulischen Zylinder mit einer modifizierten Kolbenstange mit Spiral­ nuten, welche mit Chrom bedeckt sind, und aus einem mit dem Zylinder starr verbundenen Primärwandler, welcher nach dem Prinzip des "Hall-Effekts" funktioniert. Der Umwandler erfaßt durch das nicht magnetische Chrom die Spitzen und die Nuten des Profils der Kolbenstange und erzeugt Zifferimpulse. Jeder Impuls stellt einen zurück­ gelegten diskreten Abstand dar. Das Auflösungsvermögen des Primärwandlers ist 1,25 mm, das der Positionierein­ richtung 0,625 mm. Die Summierung der lmpulse in der Steuereinrichtung gibt die Position der Kolbenstange an, und die elektronische Messung des lntervalls des Impul­ ses bestimmt die Geschwindigkeit. Auf elektronischem Weg erhält man Informationen über die Bewegungsrichtung. Zur Steuereinrichtung können auch vorgebende Programmierein­ richtungen gehören, welche die Programmierung einzelner Positionen und Geschwindigkeiten ermöglichen.

Ein Nachteil der bekannten Positioniereinrichtung ist die niedrige Genauigkeit, da das Auflösungsvermögen des Primärwandlers niedrig ist. Das Signal vom Primärwand­ ler ist nur diskret als Information über die Lage, In­ formationen über die Geschwindigkeit und die Bewegungs­ richtung innerhalb eines diskreten Abstandes (0,625 mm) ergeben sich nicht. Der schraubenförmige Profilschnitt der Kolbenstange ist gegen Drehung nicht geschützt, was zu Fehlern in der Positionierung führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Positioniereinrichtung, welche hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit der Rückkopplungen nach Lage und Geschwin­ digkeit in jedem Punkt des Laufs und eine hohe Zuverlässig­ keit aufweisen soll.

Die Aufgabe ist mit einer Positioniereinrichtung gelöst, bestehend aus einem hydraulischen Zylinder mit einer mo­ difizierten Kolbenstange, welche mit einem nicht magneti­ schen Material bedeckt ist und mit einem Primärwandler induktiv verbunden ist, welcher mit einer Einrichtung zur Verschiebungsumwandlung elektrisch verbunden ist, welche Einrichtung einen Impulsausgang und einen Analog­ ausgang aufweist, und in einem Block an den hydraulischen Zylinder mechanisch starr angeschlossen ist. Der letztere ist mit einem elektrohydraulischen Wandler hydraulisch verbunden, welcher seinerseits an den Ausgang der Steuer­ einrichtung angeschlossen ist. Der Primärwandler besteht aus zwei induktiven Primärwandlern, welche auf 1/4 des Profilschrittes der Kolbenstange zueinander verdreht sind, welche Kolbenstange Ringkanäle mit trapezförmigem Profil auweist. Die beiden induktiven Primärwandler sind über entsprechende Meßkreise mit einer Einrichtung zur Ver­ schiebungsumwandlung verbunden. ln der Einrichtung zur Verschiebungsumwandlung ist jeder Meßkreis je über eine Reihenschaltung aus einem Gleichrichter und einem Kompa­ rator an den Steuereingang eines entsprechenden Analog­ schalters und an den entsprechenden Eingang eines dritten Komparators, dessen Ausgang mit dem Steuereingang eines Zweiphasenverstärkers verbunden ist, angeschlossen. Der Ausgang des Gleichrichters jedes Meßkreises ist an den zweiten Eingang des Komparators des anderen Meßkreises angeschlossen. An den Ausgang eines der ersten zwei Kompa­ ratoren sind zwei monostabile Multivibratoren parallel geschaltet, deren Ausgänge mit dem nicht invertierenden und invertierenden Eingang eines dritten monostabilen Multivibrators verbunden sind. Die Lagerückkopplungsein­ gänge der Steuereinrichtung sind entsprechend mit dem Impuls- und dem Analogausgang der Einrichtung zur Ver­ schiebungsumwandlung verbunden, wobei ihr Analogausgang auch an einen Verstärker zur Verschiebung des Signalpe­ gels angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einer Diffe­ renziereinrichtung verbunden ist, deren Ausgang mit dem Geschwindigkeitsrückkopplung-Analogeingang der Steuerein­ richtung und mit dem Komparator, dessen Ausgang an den Richtung-Digitaleingang der Steuereinrichtung angeschlos­ sen ist, verbunden ist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung bestehen in der hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Positionierung, was in der Möglichkeit der Positionie­ rung in jedem Punkt des Laufes bei genauer Einhaltung des vorgegebenen Geschwindigkeitsgesetzes auch vor dem Positionierungspunkt, wo die Geschwindigkeit niedrig ist, zum Ausdruck gebracht wird. Außerdem kann die Empfindlich­ keit der Analogsignale für Position und Geschwindigkeit in breiten Grenzen reguliert werden, was den Antrieb einer großen Vielfalt von Objekten bei großer Kompaktheit er­ möglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Positioniereinrichtung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Positioniereinrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Ver­ schiebungsumwandlung und

Fig. 3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkung der Ein­ richtung zur Verschiebungsumwandlung.

Gemäß Fig. 1 ist ein hydraulischer Zylinder 1 in einem Block mechanisch mit einem primären Verschiebungswandler 2 verbunden, welcher aus zwei induktiven Primärwandlern, die neben einer modifizierten Kolbenstange 3 montiert sind, besteht. Der Primärwandler 2 ist über eine Einrich­ tung 4 zur Verschiebungsumwandlung mit dem Eingang eines Verstärkers 5 zur Verschiebung des Signalpegels verbun­ den, dessen Ausgang über eine Differenziereinrichtung 6 mit einem Komparator 7 und mit dem Geschwindigkeits­ rückkopplung-Eingang einer Steuereinrichtung 8 verbunden ist, deren Impuls- und Analogeingänge für die Lagerück­ kopplung mit den entsprechenden Ausgängen der Einrichtung 4 zur Verschiebungsumwandlung verbunden sind. Der Ausgang des Komparators 7 ist mit dem Bewegungsrichtung-Eingang der Steuereinrichtung 8 verbunden, deren Ausgang an ei­ nen elektrohydraulischen Wandler 9 angeschlossen ist, welcher mit dem hydraulischen Zylinder 1 verbunden ist. Die modifizierte Kolbenstange 3 hat Ringkanäle mit tra­ pezförmigem Profil in einem bestimmten Schritt und ist mit einem nicht magnetischen Material bedeckt. Der Primär­ wandler 2 besteht aus zwei induktiven Wandlern, welche längs der Bewegungsachse bis zu einem Abstand von 1/4 des Profilschrittes der Kolbenstange 3 zueinander ver­ schoben sind.

Die Einrichtung zur Verschiebungsumwandlung 4 (Fig. 2) besteht aus zwei induktiven Meßkreisen 10 und 11, die je aus einer Reihe schaltung aus einem induktiven Pri­ märwandler, einem Demodulator und einem Filter besteht. Die Primärwandler sind so verschoben, daß ihre Ausgangs­ signale um 90° phasenverschoben sind; daran ist auch ein Speisegenerator angeschlossen. Die Ausgänge der indukti­ ven Meßkreise 10 und 11 sind über Analogschalter 17 und 18 an einen Zweiphasenverstärker 19, und über einen er­ sten und einen zweiten Gleichrichter 12 und 13 an die Eingänge eines ersten und eines zweiten Komparators 15 und 16 angeschlossen, deren Ausgänge mit den Steuereingän­ gen der Analogschalter 17 und 18 verbunden sind. Die in­ duktiven Meßkreise 10 und 11 sind auch an die beiden Ein­ gänge eines dritten Komparators 14 angeschlossen, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Zweiphasenverstärkers 19 verbunden ist. Der Ausgang des ersten Gleichrichters 12 ist auch mit dem zweiten Eingang des zweiten Kompara­ tors 16, und der Ausgang des zweiten Gleichrichters 13 mit dem zweiten Eingang des ersten Komparators 15 ver­ bunden. An den Ausgang eines der beiden Komparatoren 15 und 16 sind parallel zwei monostabile Multivibratoren 20 und 21 angeschlossen, deren Ausgänge mit dem nicht invertierenden und mit dem invertierenden Eingang eines dritten monostabilen Multivibrators 22 verbunden sind.

Die Einrichtung funktioniert folgenderweise:

Bei Vorgabe einer bestimmten Position von dem Lage-Vor­ gabeblock der Steuereinrichtung 8 entsteht an seinem Aus­ gang ein Signal. Es ist gleich dem Unterschied zwischen dem Sollwert und dem Istwert, die durch die Signale s und t vom Verschiebungswandler 4 erhalten wurden. Bei Verschiebung der Kolbenstange entstehen an den Ausgängen der Meßkreise 10 und 11 (Fig. 2 und 3) zwei gleiche si­ nusförmige Spannungen a und b, welche um 90° zueinander verschoben sind. Diese Spannungen werden von den Gleich­ richtern 12 und 13-c und d gleichgerichtet und den Kompa­ ratoren 15 und 16 zugeführt. An ihren Ausgängen entstehen die Signale m und n, welche die Analogschalter 17 und 18 so steuern, daß die Umschaltungen der Spannungen a und b in den Momenten erfolgen, wenn die beiden Spannun­ gen ein und dieselbe Amplitude aufweisen. Die Spannungen a und b werden auch den Eingängen des Komparators 14 zu­ geführt, dessen Ausgangssignal k den Zweiphasenverstärker 19, dessen Eingänge die von den Analogschaltern 17 und 18 erhaltenen Signale 1 und p zugeführt werden, steuert. am Ausgang des Zweiphasenverstärkers 19 entsteht das Sig­ nal t. Durch Impulsbildung an der vorderen und hinteren Flanke der Signale m oder n durch die monostabilen Mul­ tivibratoren 20 und 21 entstehen die Impulsreihen q und r, welche nach ihrer Summierung und Breitenbildung in einem dritten monostabilen Multivibrator 22 das Signal s ergeben. Das Signal s ist eine Reihe von Impulsen in gleichen Abständen (0,1 mm) (Fig. 3), welches eine annähern­ de Information über die Bewegung der Kolbenstange 3 des Zylinders 1 gibt, und zwischen diesen Impulsen entsteht das Signal t, welches eine linear ansteigende und abfal­ lende Spannung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung darstellt und eine präzise Information über die Bewegung gibt. Diese Signale steuern nach umwandlung in der Steuer­ einrichtung 8 den elektrohydraulischen Wandler 9. Er be­ tätigt den hydraulischen Zylinder 1 in eine bestimmte Richtung und mit einer bestimmten Geschwindigkeit, bis die Signale von dem Verschiebungswandler 4 und vom Lage- Vorgabeblock der Steuereinrichtung 8 ausgeglichen wer­ den. Dabei stoppt die Bewegung in der ausgewählten Posi­ tion bis zur Vorgabe einer neuen Position. Die Einhal­ tung des vorgegebenen Geschwindigkeitsgesetzes bei der Bewegung der Kolbenstange des Zylinders 1 von einem Punkt zu einem anderen wird in der Steuereinrichtung 8 verfolgt, wo die analog vorgegebenen Werte der Geschwindigkeit mit den Istwerten verglichen werden. Die letzteren werden erhalten, indem vom Analogausgang des Verschiebungswand­ lers 4 das Signal t verstärkt und in den Verstärker 5 verschoben wird, und danach das Signal u in einer Diffe­ renziereinrichtung 6, an deren Ausgang das Signal v der Geschwindigkeit proportional ist, differenziert wird. Da eine linear ansteigende oder abfallende Spannung mit hoher Empfindlichkeit (10 V/0,1 mm) differenziert wird, hat das Ausgangssignal v auch eine hohe Empfindlichkeit und erhöhte Genauigkeit auch bei niedrigen Geschwindig­ keiten der Kolbenstange 3. Außerdem kommt es bei Ände­ rung der Bewegungsrichtung automatisch zur Änderung des Vorzeichens des Signals v, welches dem Komparator 7 eine digitale Information (1; 0) über die Bewegungsrichtung gibt. Das Signal w wird vom Ausgang des Komparators 7 auch der Steuereinrichtung 8 zugeführt, wo es mit der vorgegebenen Richtung (1; 0) verglichen wird.

Claims (2)

1. Positioniereinrichtung, bestehend aus einem hydrau­ lischen Zylinder (1) mit einer modifizierten Kolben­ stange (3), welche mit einem nicht magnetischen Ma­ terial bedeckt ist und mit einem Primärwandler (2) verbunden ist, welcher an eine Einrichtung (4) zur Ver­ schiebungsumwandlung mit einem Impuls- und einem Analogausgang elektrisch und in einem Block starr me­ chanisch an den hydraulischen Zylinder (1) ange­ schlossen ist, welcher mit einem elektrohydraulischen Wandler verbunden ist, welcher an den Ausgang der Steuereinrichtung (8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärwandler (2) aus zwei induktiven Primärwandlern besteht, wel­ che zueinander auf 1/4 des Profilschrittes der modi­ fizierten Kolbenstange (3) mit Ringkanälen mit tra­ pezförmigem Profil verschoben sind, wobei die Lage­ rückkopplungs-Eingänge der Steuereinrichtung (8) ent­ sprechende mit dem Impuls- und mit dem Analogausgang der Einrichtung (4) zur Verschiebungsumwandlung ver­ bunden sind, wobei ihr Analogausgang auch an einen Verstärker (5) zur Verschiebung des Signalpegels an­ geschlossen ist, dessen Ausgang mit einer Differenzier­ einrichtung (6) verbunden ist, deren Ausgang mit dem Geschwindigkeitsrückkopplungs-Analogeingang der Steuer­ einrichtung (8) und mit einem Komparator (7) verbunden ist, dessen Ausgang an den Richtungs-Digitaleingang der Steuereinrichtung (8) angeschlossen ist.

2. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zur Verschiebungsumwandlung aus zwei induktiven Meß­ kreisen (10, 11) besteht, die je über eine Reihen­ schaltung aus einem Gleichrichter (12, 13) und einem Komparator (15, 16) an den Steuereingang eines ent­ sprechenden Analogschalters (17, 18) und an den ent­ sprechenden Eingang eines dritten Komparators (14) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Zweiphasenverstärkers (19) verbunden ist, daß je­ der Meßkreis (10, 11) über den Analogschalter (17, 18) mit dem entsprechenden Eingang des Zweiphasenver­ stärkers (19) verbunden ist, wobei der Ausgang des Gleichrichters (12, 13) jedes Meßkreises an den zwei­ ten Eingang des Komparators (15, 16) des anderen Meß­ kreises angeschlossen ist, und daß an den Ausgang ei­ nes der ersten zwei Komparatoren (16) zwei monostabi­ le Multivibratoren (20 und 21) parallel geschaltet sind, deren Ausgänge mit dem nicht invertierenden und mit dem invertierenden Eingang eines dritten monosta­ bilen Multivibrators (22) verbunden sind.